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獅子灘電站溢流壩壩基穩(wěn)定性及壩體裂縫成因分析

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簡介: 獅子灘水電站是建國后第一批完建的重點(diǎn)水電工程。作者結(jié)合獅子灘水電站多年運(yùn)行后的實(shí)際情況,運(yùn)用三維非線性有限元數(shù)學(xué)模型,針對影響溢流壩正常工作的主要工程問題展開研究,較全面地論證了壩基的抗滑穩(wěn)定性,還對溢流壩壩體裂縫的成因進(jìn)行了分析。并提出進(jìn)一步提高壩基抗滑安全儲備和減少壩體裂縫的工程措施。 
關(guān)鍵字:壩基穩(wěn)定性 壩體裂縫 工程措施 有限元法

1 主要工程問題及研究對策

  獅子灘水電站位于四川省長壽縣境內(nèi),是龍溪河四級開發(fā)利用中最上游一級。電站裝機(jī)容量4.8萬kW,年發(fā)電量2.06億kW&midd0t;h,水庫總庫容8.3億m3,可對天然來流量作多年調(diào)節(jié)。主要水工建筑物由混凝土擋墻堆石壩、溢洪道、有壓引水系統(tǒng)及電站廠房組成。溢洪道位于堆石壩左端條形山脊天然埡口,總寬112.0 m,設(shè)計(jì)最大泄洪能力49l0.0 m3/s,從溢流壩至挑水坎總長358.0m,其中,首段為重力式混凝土溢流壩,共分5個壩段,壩段長22.0-23.0m, 閘墩寬4.0m,在閘墩中心線分沉陷縫,建基面高程從1號至5號壩段為326.5—318.0m,溢流堰頂高程340.0m,壩頂高程350.0m,最大壩高32,0m,溢流壩上設(shè)置7.0 m×18.0m(高×寬)弧形閘門5孔。中段為泄水陡槽,長322.5m,平均坡降4.95%,末端為混凝土低鼻坎矩形差動式挑水坎。

  獅子灘水電站于l957年3月全部建成,至今已安全運(yùn)行41年。在多年運(yùn)行期間,水庫最低蓄水位325.09m,較死水位低3.14m,最高運(yùn)行水位347.58m,較正常高水位高0.85m,溢洪道實(shí)際下泄最大流量1750 m3/s,僅達(dá)設(shè)計(jì)泄洪能力的35.6%,溢洪道各建筑物還未經(jīng)受設(shè)計(jì)最大泄流量考驗(yàn),同時(shí),經(jīng)過多年蓄水運(yùn)行,溢洪道相繼出現(xiàn)一些影響安全運(yùn)行的工程問題,主要包括:

  (1) 溢流壩上游鋪蓋被淘空。

  原設(shè)計(jì)溢流壩上游鋪蓋為1:4坡度的粘土鋪蓋,表面再鋪塊石保護(hù),施工時(shí)作了修改,鋪蓋粘土只回填至330.0m高程,330.0m高程以上改用廢渣回填,經(jīng)過多次泄洪,下泄水流將回填廢渣及330.0m高程以下的粘土大量帶走,鋪蓋大部分已失去保護(hù),溢流壩前沿基礎(chǔ)已經(jīng)暴露在外,致使?jié)B徑縮短,增加了帳幕前壩基滲透壓力,并可能拉裂帳幕,影響溢流壩體的整體安全。

  (2) 溢流壩穩(wěn)定安全參數(shù)偏低。

  由于溢流壩基礎(chǔ)大部分位于薄層砂巖上,砂巖厚度一般為3.0—4.0m,以下為砂質(zhì)粘土與砂巖互層,巖性變化大,節(jié)理裂隙發(fā)育,問有風(fēng)化破碎帶,在砂質(zhì)粘土巖中分布有埋深較淺,產(chǎn)狀近于水平且連通性較好的G4、G5軟弱夾層,其中建基面以下8.0m的G5夾層分布于整個溢流壩基。原設(shè)計(jì)根據(jù)竣工資料,對1號一5號壩段在校核洪水條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核,1號一3號壩段抗滑穩(wěn)定安全參數(shù)Kc為1.0—1.08,4號壩段為0.91,5號壩段為0.94,由此可見4號、5號壩段的Kc值不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。為客觀評價(jià)4號、5號壩段的穩(wěn)定安全性,設(shè)計(jì)上建議在穩(wěn)定分析中考慮尾部巖體的抗剪作用,這種計(jì)入尾部巖體抗力的分析方法是合理的,但對4號、5號壩段穩(wěn)定安全參數(shù)量值上的變化設(shè)計(jì)上未作詳細(xì)說明。

  (3) 溢流壩普遍出現(xiàn)貫穿性裂縫。

  據(jù)獅子灘溢洪道運(yùn)行總結(jié)報(bào)告介紹,溢流壩體出現(xiàn)的貫穿性裂縫可分為三類:第一類是遺留的施工冷縫;第二類是由于混凝土澆筑過程中未采取嚴(yán)格溫控措施和拆模過早等因素形成的,先期(末蓄水發(fā)電前)裂縫;第三類則是在多年運(yùn)行期間,由于壩面溫度隨外界氣溫變化所產(chǎn)生并逐步演變形成的。上述三類貫穿性裂縫的形成原因,以及對壩體安全性的影響程度,是工程上所關(guān)心的問題。

  針對獅子灘電站溢洪道所存在的上述三個主要 問題,結(jié)合溢洪道多年的運(yùn)行與安全監(jiān)測資料,以及 1990年獅子灘水電站大壩安全定檢時(shí)所修定的最新地質(zhì)水文成果,運(yùn)用三維彈塑性有限方法,以上游鋪蓋、溢流壩及下游護(hù)坦和壩基巖體作為計(jì)算整體,對溢流壩體的變位與應(yīng)力特征,以及上述(1)、(2)因素對壩體穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定量分析評價(jià),給出獅子灘電站溢流壩現(xiàn)今與進(jìn)行工程處理后所具有的整體安全儲備,同時(shí),還對溢流壩出現(xiàn)貫穿性裂縫的原因及其影響作了初步分析。

2 有限元數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

  2.1 有限元計(jì)算范圍及結(jié)構(gòu)離散

  選取最大壩高,抗滑穩(wěn)定安全參數(shù)最低的4號壩段作為分析對象,并沿上下游及壩基方向延伸一定范圍構(gòu)成三維計(jì)算域,其中:

  垂直水流方向(Y向):溢流壩1+81.3l—溢流壩l+103.31m;

  平行水流方向(X向):0-30.00-0+80.00m:

  垂直方向(Z向):建基面以下32.0m至壩頂,絕對高程290.0— 350.0m,相對高差60.0m。

  該區(qū)域包括4號壩段左右閘墩,溢流壩體、上游前坦30.0m與下游護(hù)坦50.0m,以及壩基以下薄層砂巖、砂質(zhì)粘土巖互層與軟弱破碎帶G5。根據(jù)溢流壩受力特點(diǎn)及壩基地層分布界面,對計(jì)算域進(jìn)行剖分,其中壩體和護(hù)坦混凝土結(jié)構(gòu),以及壩基巖體采用空間8節(jié)點(diǎn)等參元模擬,G5軟弱夾層以8節(jié)點(diǎn)夾層單元模擬,為反映壩體與壩基巖體接觸面相對剪切變形,該接觸面用接觸界面單元模擬。

  2.2 材料物理力學(xué)參數(shù)

  參考原設(shè)計(jì)采用材料物理力學(xué)參數(shù),并結(jié)合1990年獅子灘水電站溢洪道壩基巖石力學(xué)試驗(yàn)成果,本次有限元分析計(jì)算選用材料參數(shù)見表l。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

材料名稱密度抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗剪斷強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 變形模量f'c'fcEμ/t·m-3/MPa/MPa/MPa/MPa/GPa混凝土2.3511.01.01.050.900.700.012.00.18砂巖2.4065.93.031.340.700.650.08.00.20砂質(zhì)粘土巖2.5222.81.110.770.500.600.02.50.25混凝土/砂巖0.01.050.90.650.0G52.200.00.470.120.360.00.20.352.3 荷載及其組合

  本文有限元分析考慮兩種荷載組合:基本荷載組合:

  巖體自重+壩體自重+正常水載=泥沙壓力+揚(yáng)壓力

  特殊荷載組合:巖體自重+壩體自重+校核水載+泥沙壓力+揚(yáng)壓力

  其中水載及泥沙壓力基本參數(shù)為:

水庫正常蓄水位:347.0m水庫校核洪水位:349.0m淤沙高程:340.0m 泥沙密度:0.5t/m3內(nèi)摩擦角:θ。工作橋每孔自重101.0 t,交通橋每孔自重14.21t,自重50.5t,均以均布力作用于左右閘墩上,工作橋與交通橋面活荷重作為安全儲備,略去不計(jì)。

  巖體自重在地質(zhì)歷史時(shí)期已形成,是一種環(huán)境力場,壩體自重在壩體完建后業(yè)已形成,是一種初始力場,有限元分析中只計(jì)入兩者形成的自重應(yīng)力。

  考慮到溢流壩上游鋪蓋已淘至壩基混凝土齒墻,壩基灌漿帳幕前滲透壓力按1.0倍H計(jì),帷幕線及排水孔線位置滲透壓力水頭折減系數(shù)按設(shè)計(jì)規(guī)范取為0.5與0.3,下游壩趾處滲透水頭參考揚(yáng)壓力實(shí)測資料取為0.25倍H。

  2.4 巖體強(qiáng)度及本構(gòu)模型

  在外荷載組合作用下,溢流壩及壩基巖體應(yīng)力集中或材料強(qiáng)度較低的部位首先出現(xiàn)開裂或塑性破壞,由此將引起這些部位承載能力下降,超過其承載能力的部分荷載(超余應(yīng)力)將轉(zhuǎn)移至附近壩體或巖體單元,進(jìn)而可能引起附近單元破壞。因此,溢流壩及壩基巖體的變位、應(yīng)力及破壞是不斷調(diào)整最終趨于穩(wěn)定(收斂)的漸進(jìn)過程,非線性彈塑性有限元法能較好地模擬分析這一客觀過程。

  溢流壩混凝土及壩基巖體材料開裂條件用宏觀強(qiáng)度描述:

σii≥Rt(i=1,2,3) (2.1)

  式中 σii噸代表應(yīng)力特征點(diǎn)的3個主應(yīng)力,以拉為正;Rt表示混凝土或巖體材料抗拉強(qiáng)度,分析中可能呈現(xiàn)單向,雙向及三向開裂情況,由程序自行校核并進(jìn)行剛度修正。

  壩體混凝土或巖體是否進(jìn)入塑性狀態(tài),按 Drucker—Parger準(zhǔn)則判別:

F=αI1+√J2-k (2.2)

  式中 I1和J2分別為應(yīng)力張量的第一不變量和應(yīng)力偏張量的第二不變量;α、k是與材料摩擦系數(shù)tgφ和凝聚力C有關(guān)的常數(shù)。

  據(jù)關(guān)聯(lián)流動法則導(dǎo)出材料的彈塑性本構(gòu)陣:

  壩體建基面及壩基G5軟弱錯動帶,按層面法向不抗拉材料分析,其剪切滑移按mohr—Coulomb條件復(fù)核。

  2.5 壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法

  采用整體強(qiáng)度儲備安全系數(shù)表征壩基的抗滑穩(wěn)定性,基本方法是假定基本或特殊組合荷載不變,通過不斷下浮壩基與巖體接觸面,G5軟弱夾層及尾部抗力體(砂巖)抗剪強(qiáng)度指標(biāo),分析強(qiáng)度參數(shù)下浮倍數(shù)與潛存滑移通道中破壞面積之間的演變關(guān)系,尋求壩基滑移面整體移滑時(shí),相應(yīng)的Kc值即為整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

3 壩基抗滑穩(wěn)定安全度評價(jià)

  針對溢流壩上游鋪蓋被淘空條件,首先研究正常蓄水與校核洪水兩種工況,壩體沿建基面與G5軟弱破碎帶兩種滑動面的抗滑穩(wěn)定性(文中G5滑動面包含壩基下近于水平分布的G5破碎帶及壩趾尾部砂巖抗剪斷段),其成果見表2中方案1-方案8,在此基礎(chǔ)上,分析壩體前坦深槽回填處理后,以及壩基揚(yáng)壓力兩種分布形式相應(yīng)的壩體抗滑穩(wěn)定性,其成果見表2方案9—方案l0。

表2 壩基抗滑穩(wěn)定分析方案及成果表

方案上游水位壩基揚(yáng)壓力前坦深槽尾部抗剪抗滑安全系數(shù) 滑移通道破裂面積比/%1347.0分布①存在不計(jì)入1.10壩基面79.2G586.22347.0分布①存在不計(jì)入1. 20壩基面 92.4G594.83347.0分布①存在計(jì)入1.10壩基面 77.3G578.64347.0分布①存在計(jì)入1. 20壩基面 81.4G586.75349.5分布①存在不計(jì)入1. 00壩基面 82.7G594.46349.5分布①存在不計(jì)入1.10壩基面 84.8G598.67349.5分布①存在計(jì)入1.00壩基面 64.0G567.58349.5分布①存在計(jì)入1.10壩基面 82.3G593.19349.5分布①不存在計(jì)入1.10壩基面 68.6G583.310349.5分布②不存在計(jì)入1.10壩基面 62.4G575.5

  表2中沿壩基面或G5軟弱破碎帶滑移通道的破裂面積比是指滑移通道中產(chǎn)生破壞的面積與總面積之比,該參數(shù)可以定量評價(jià)壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的可靠程度(保證率)。分析表2可以看出:

  ① 在不計(jì)滑移通道尾部巖體抗剪作用及正常蓄水位條件下,壩體抗滑安全系數(shù)1.2時(shí),沿G5滑移通道的破裂面積比達(dá)94.8%,已接近整體滑移極限(破裂面積比l00%)。因此,在正常蓄水位及不計(jì)尾部抗剪作用條件下,壩體的最大抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20,考慮一定安全儲備,若以沿滑移通道破裂面積比90%控制(下同),壩基實(shí)際具有抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.10-1.15。

  由方案5和方案6可看出,在校核洪水下,若不計(jì)入尾部巖體抗剪作用,抗滑安全系數(shù)分別為1.00 和1.10時(shí),壩體沿G5滑移通道的破裂面積比均已 超過90%,表明壩體實(shí)際具有安全系數(shù)小于1.0。

 ?、?方案3和方案4表明,計(jì)入滑移通道尾部巖體抗剪作用,正常蓄水時(shí)抗滑安全系數(shù)1.20時(shí),沿G5滑移通道的破裂面積比僅86.7%,表明壩體的整體抗滑安全系數(shù)已達(dá)到1.20。方案7和方案8表明,計(jì)入滑移通道尾部抗剪作用,校核洪水當(dāng)抗治安全系數(shù)1.10時(shí),壩體沿G5滑移通道的破裂面積比超過90%,而安全系數(shù)為1.0時(shí),破裂面積比僅達(dá)67.5%,因此,校核洪水時(shí)計(jì)入尾部抗剪作用的壩基抗滑安全系數(shù)為1.05左右。

  ② 考慮壩體前坦深槽回填處理,方案9給出了不計(jì)水平防滲處理效果(壩基揚(yáng)壓力較回填前不變),壩基抗滑安全系數(shù)為1.10時(shí),沿G5滑移通道的破裂面積比較方案8下降了近10%(即安全度保證率提高l0%),方案10表明計(jì)入水平防滲效果(壩在揚(yáng)壓力減小),沿G5滑移通道的破裂面積比較方案9又進(jìn)一步降低,即安全度進(jìn)一步提高。

  綜合方案9、方案10來看,對壩體前坦深槽采用回填并作粘土水平鋪蓋處理,校核洪水時(shí)計(jì)入尾部抗剪作用的壩基抗滑安全系數(shù)可達(dá)1.10。

 ?、?從方案l至方案10中可看出,正常蓄水位與校核洪水兩種工況,以及是否計(jì)入尾部抗剪作用多種組合條件下,沿G5滑移通道的破裂面積比均大于壩體建基面,表明埋深較淺產(chǎn)狀近于水平的G5軟弱破碎帶是壩基抗滑穩(wěn)定的關(guān)鍵。

4 壩體裂縫形成原因淺析

  前面已提及獅子灘水庫溢流壩存在的貫穿性裂縫可以分為三類,第一類是壩體施工過程中遺留的冷縫,第二類是由于混凝土澆筑過程未采取嚴(yán)格溫控措施等因素形成的先期裂縫;第三類是壩面溫度隨外界氣溫變化演變形成的裂縫。對于第一、二類裂縫可采用灌環(huán)氧膠等工程措施一次性處理,而第三類裂縫在水庫長期運(yùn)行過程中,可能重復(fù)出現(xiàn),尤應(yīng)引起重視。對第三類裂縫產(chǎn)生的條件,分別用三維有限元法和重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范建議方法進(jìn)行計(jì)算分析。

  4.1 壩體運(yùn)行期溫度應(yīng)力三維有限元計(jì)算結(jié)果

  獅子灘電站溢流壩已運(yùn)行多年,壩體內(nèi)部混凝土穩(wěn)定溫度接近建壩區(qū)多年平均氣溫,而上下游壩面隨外界氣溫呈年際變化,壩面與壩體內(nèi)部的溫差將引起壩體變形,這種壩體變形由于受到壩基巖體的約束,在壩體內(nèi)將形成一定的溫度應(yīng)力。參考壩區(qū)氣溫、水溫和地溫資料,擬定以下參數(shù)計(jì)算夏季和冬季兩種情況:

  (1) 壩體內(nèi)部穩(wěn)定溫度18℃,下游壩面氣溫37℃,上游水溫在340.0—347. 0m高程內(nèi)取25℃,330.0-340.0m高程內(nèi)取20℃,地溫取l0℃。

  (12) 壩體內(nèi)部混凝土穩(wěn)定溫度18℃,下游壩面氣溫-2℃,上游水溫在340.0-347.0 m取2℃,330.0-340.0m高程取6℃。

經(jīng)計(jì)算在溢流壩段(3—5剖面)堰頂及下游壩面出現(xiàn)主拉應(yīng)力最大,其方向近于平行壩軸線,量值達(dá)0.8-1.2MPa。

  4.2 按重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范分析

  (1) 外界溫度年變化引起的應(yīng)力。

  最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在壩表面,值按下式估算:

  若假定壩面混凝土允許抗拉(裂)強(qiáng)度[σt]=1.0MPa,由上式計(jì)算,壩面允許的溫度變幅為15 ℃,換言之,若壩面溫度高于33.7℃或低于3.7℃,壩面混凝土則可能開裂或引起已裂混凝土裂縫擴(kuò)展,加深裂縫深度。

  綜合上述兩種方法分析結(jié)果可以看出,當(dāng)壩面與壩體內(nèi)部混凝土溫差達(dá)到15℃以上時(shí),壩體混凝土將會出現(xiàn)開裂或引起裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展,裂縫最可能出現(xiàn)的部位在溢流壩中間壩段(3—5剖面)的壩頂或下游壩面,由于壩面縱向(垂直水流)溫度應(yīng)力一般大于橫向,裂縫的方向多與最大主應(yīng)力方向垂直,即壩面一般呈現(xiàn)橫向裂縫,這與獅子灘電站溢流壩情況較為吻合。

5 結(jié)論及建議

  (1) 本文分析表明壩體變位與應(yīng)力分布對稱于壩段中間剖面,左右閘墩間的不均勻沉陷量值非常小,不會構(gòu)成壩體開裂,壩基帳幕的相對水平變位遠(yuǎn)小于一般工程控制值,壩體各部位主壓應(yīng)力水平也遠(yuǎn)小于混凝土抗壓強(qiáng)度,齒墻部位的最大主拉應(yīng)力量值僅為0.136MPa,小于混凝土允許抗拉強(qiáng)度,因此,齒墻不會被剪斷,其他部位也不會發(fā)生應(yīng)力破壞現(xiàn)象,壩體結(jié)構(gòu)是安全的。

  (2) 在溢流壩前坦深槽存在條件下,正常蓄水(基本荷載組合)的壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),無論是否計(jì)入尾部抗剪作用,均大于1.05,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求;校核洪水(特殊荷載組合)的壩體抗滑安全系數(shù)若不計(jì)入尾部抗剪作用,則小于規(guī)范要求的1.0,但計(jì)入尾部抗剪作用,其安全系數(shù)可提高至1.0- 1.05。筆者認(rèn)為:滑移通道尾部巖體作為抗力體,其抗剪作用是客觀存在的,因此,在校核洪水作用下,只要帳幕不被拉裂,壩基不會發(fā)生整體滑動。

  (3) 回填溢流壩前坦深槽并恢復(fù)原設(shè)計(jì)壩基水平防滲鋪蓋,可提高壩基抗滑穩(wěn)定的安全度,同時(shí),可防止匯洪時(shí)壩前水流對前坦的進(jìn)一步淘刷,以確保垂直防滲帳幕的安全。

  (4) 壩基實(shí)測揚(yáng)壓力資料表明,壩趾處存在1.0-6.0 m滲壓水頭,筆者認(rèn)為這與壩基排水幕效果欠佳有關(guān),建議加強(qiáng)觀測并進(jìn)行適當(dāng)工程處理。

  (5) 溢流壩面裂縫成因很多,建議一方面對壩體己存在的貫穿性裂縫用環(huán)氧補(bǔ)強(qiáng),同時(shí),在電站運(yùn)行過程中注意水庫的調(diào)度,盡量避免在氣溫特高或特低的時(shí)期,頻繁變化庫水位,以降低壩面與壩體內(nèi)部混凝土之間溫度變幅,以及壩體濕度變化,從而達(dá)到減少壩體裂縫之目的。

參考文獻(xiàn):

  [1] 中華人民共和國水利電力部.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. SDJ2l—78.

  [2] 陳夢德.獅子灘水電站滋洪道壩基工程地質(zhì)復(fù)核及巖石力學(xué)試驗(yàn)[J].四川,199l,(4).

  作者簡介:

  何江達(dá)(1961年—),男,四川達(dá)縣人,四川大學(xué)巖土研究室主任,副教授,碩士,從事巖石力學(xué)教學(xué)及研究工作.

  張建海(1968年—),男,河南汲縣人,四川大學(xué)副教授,博士,從事巖石力學(xué)及計(jì)算機(jī)開發(fā)教學(xué)與研究工作.

  胡貴良(1965年—),男,江西人,四川省電力公司高級工程師,碩士,從事水電工程管理工作.

發(fā)布:2007-07-28 10:14    編輯:泛普軟件 · xiaona    [打印此頁]    [關(guān)閉]
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